[發明專利]一種硼氮共摻雜三維結構鋰硫電池正極材料的制備方法

在審

• 申請號: 201610092808.6
• 申請日: 2016-02-19
• 公開（公告）號: CN105609733A
• 公開（公告）日: 2016-05-25
• 發明（設計）人: 鐘玲瓏;肖麗芳
• 申請（專利權）人: 鐘玲瓏
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及納米材料合成，特別涉及一種鋰硫電池正極材料的制備方法。

背景技術

鋰硫電池是以金屬鋰為負極，單質硫為正極的電池體系。鋰硫電池的具有兩個放電平臺（約為2.4V和2.1V），但其電化學反應機理比較復雜。鋰硫電池具有比能量高（2600Wh/kg）、比容量高（1675mAh/g）、成本低等優點，被認為是很有發展前景的新一代電池。但是目前其存在著活性物質利用率低、循環壽命低和安全性差等問題，這嚴重制約著鋰硫電池的發展。造成上述問題的主要原因有以下幾個方面：（1）單質硫是電子和離子絕緣體，室溫電導率低（5×10^-30S·cm^-1），由于沒有離子態的硫存在，因而作為正極材料活化困難；（2）在電極反應過程中產生的高聚態多硫化鋰Li₂S_n（8＞n≥4）易溶于電解液中，在正負極之間形成濃度差，在濃度梯度的作用下遷移到負極，高聚態多硫化鋰被金屬鋰還原成低聚態多硫化鋰。隨著以上反應的進行，低聚態多硫化鋰在負極聚集，最終在兩電極之間形成濃度差，又遷移到正極被氧化成高聚態多硫化鋰。這種現象被稱為飛梭效應，降低了硫活性物質的利用率。同時不溶性的Li₂S和Li₂S₂沉積在鋰負極表面，更進一步惡化了鋰硫電池的性能；（3）反應最終產物Li₂S同樣是電子絕緣體，會沉積在硫電極上，而鋰離子在固態硫化鋰中遷移速度慢，使電化學反應動力學速度變慢；（4）硫和最終產物Li₂S的密度不同，當硫被鋰化后體積膨脹大約79%，易導致Li₂S的粉化，引起鋰硫電池的安全問題。上述不足制約著鋰硫電池的發展，這也是目前鋰硫電池研究需要解決的重點問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種三維結構鋰硫電池正極材料，同該方法制備出三維結構硼氮共摻雜石墨烯，納米硫顆粒和科琴黑沉積在硼氮共摻雜石墨烯的三維空間結構中，該設計能改善硫電機的導電性，而且能夠阻止放電產物多硫化物的溶解。

本發明提供一種三維結構的鋰硫電池正極材料的制備工藝流程如下：

（1）將氧化石墨加入到水中超聲，形成氧化石墨烯懸浮液；

（2）將質量濃度為25%的氨水加入到氧化石墨烯懸浮液中，再加入硼氫化鈉，然后轉移到水熱釜中進行水熱反應，反應完成后乙醇洗、水洗，然后冷凍干燥，得到三維硼氮共摻雜石墨烯；

（3）取步驟（2）得到的三維硼氮共摻雜石墨烯與科琴黑加入到N-甲基吡咯烷酮中超聲反應形成懸浮液；

（4）將單質硫加入到N-甲基吡咯烷酮中在一定溫度下超聲，直到單質硫完全溶解形成懸浮液；

（5）將（4）和（3）得到的兩種懸浮液混合，攪拌均勻，然后在攪拌下緩慢的加入蒸餾水，離心、水洗、干燥后得到三維結構的鋰硫電池正極材料。

步驟（1）中超聲反應時間為10-60分鐘，氧化石墨烯懸浮液的濃度為1-10g/L;

步驟（2）中水熱反應的溫度為160-200℃，反應時間為1-6小時，氧化石墨與氨水的比例為1g：10-50mL，氧化石墨與硼氫化鈉的質量比為1:10-30；

步驟（3）中三維硼氮共摻雜石墨烯與科琴黑的質量比為1:0.05-0.5，懸浮液的濃度為1-5g/L；

步驟（4）中單質硫與三維硼氮共摻雜石墨烯和科琴黑總質量和的質量比為10-20:1，超聲的反應溫度40-50℃，超聲時間為直到硫完全溶解,硫懸浮液的濃度為10-15g/L；

步驟（5）中加入的蒸餾水：混合后N-甲基吡咯烷酮溶液的體積比為3-5:1；

本發明具有如下有益效果：（1）該制備方法將氧化石墨還原、硼氮共摻雜同水熱反應一步完成，提高反應效率；（2）高電導率的科琴黑和石墨烯材料能有效提高電極片的電導率；（3）在充放電過程中，三維結構的構造有利于鋰離子和電子在多維度傳導路徑中穿梭，提高離子和電子傳導率；（4）三維結構中存在的科琴黑，進一步縮短了納米硫顆粒之間以及納米硫與石墨烯片層的傳導距離，有利于電導率的提高；（5）硼氮共摻雜石墨烯中的氮原子和硼原子的協同作用對硫的吸附，能有效減少飛梭效應，提高鋰硫電池的循環壽命。

附圖說明

圖1是本發明制備的三維硼氮共摻雜石墨烯硫復合材料的SEM圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的較優的實施例作進一步的詳細說明：

實施例1